ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ЭНЕРГИЯ: ФОРМУЛА, УРАВНЕНИЯ, ИСПОЛЬЗОВАНИЕ, ПРИМЕРЫ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2025

Электромагнитная энергия является тот , который распространяется через электромагнитные волны (ЭМ). Примерами этого являются солнечный свет, излучающий тепло, ток, который извлекается из электрической розетки, и рентгеновские лучи, производящие рентгеновские лучи.

Подобно звуковым волнам, когда они вибрируют барабанную перепонку, электромагнитные волны способны передавать энергию, которая позже может быть преобразована в тепло, электрические токи или различные сигналы.

Рисунок 1. Антенны необходимы в телекоммуникациях. Сигналы, с которыми они работают, имеют электромагнитную энергию. Источник: Pixabay.

Электромагнитная энергия распространяется как в материальной среде, так и в вакууме, всегда в форме поперечной волны, и ее использование не является чем-то новым. Солнечный свет - первичный источник электромагнитной энергии и самый старый из известных, но использование электричества появилось несколько позже.

Только в 1891 году компания Edison ввела в эксплуатацию первую электрическую установку в Белом доме в Вашингтоне. И это в качестве дополнения к газовым лампам, которые использовались в то время, потому что поначалу их использование вызывало большой скептицизм.

Дело в том, что даже в самых удаленных местах и ​​при отсутствии линий электропередач электромагнитная энергия, постоянно прибывающая из космоса, продолжает поддерживать динамику того, что мы называем своим домом во Вселенной.

Формула и уравнения

Электромагнитные волны - это поперечные волны, в которых электрическое поле E и магнитное поле B перпендикулярны друг другу, а направление распространения волны перпендикулярно полям.

Все волны характеризуются своей частотой. Именно широкий диапазон частот электромагнитных волн дает им универсальность при преобразовании их энергии, которая пропорциональна частоте.

На рисунке 2 изображена электромагнитная волна, в ней электрическое поле E, выделенное синим цветом, колеблется в плоскости zy, магнитное поле B, выделенное красным цветом, колеблется в плоскости xy, а скорость волны направлена ​​вдоль оси + y, согласно показанной системе координат.

Рис. 2. Электромагнитная волна, падающая на поверхность, передает энергию в соответствии с вектором Пойнтинга. Источник: Ф. Сапата.

Если на пути обеих волн расположена поверхность, скажем, плоскость площади A и толщины dy, так что она перпендикулярна скорости волны, поток электромагнитной энергии на единицу площади, обозначаемый S, описывается как из вектора Пойнтинга:

Легко проверить, что единицы измерения S - это ватт / м ² в международной системе.

Есть еще кое-что. Величины полей E и B связаны друг с другом скоростью света c. Фактически, электромагнитные волны в вакууме распространяются так быстро. Это отношения:

Подставляя это соотношение в S, получаем:

Вектор Пойнтинга изменяется во времени синусоидальным образом, поэтому приведенное выше выражение является его максимальным значением, потому что энергия, поставляемая электромагнитной волной, также колеблется, как и поля. Конечно, частота колебаний очень велика, поэтому их невозможно обнаружить, например, в видимом свете.

Приложения

Среди множества применений, которые мы уже упоминали для электромагнитной энергии, здесь упоминаются два, которые постоянно используются во многих приложениях:

Дипольная антенна

Антенны всюду наполняют пространство электромагнитными волнами. Есть передатчики, которые преобразуют электрические сигналы, например, в радиоволны или микроволны. А есть приемники, которые выполняют обратную работу: они собирают волны и преобразуют их в электрические сигналы.

Давайте посмотрим, как создать электромагнитный сигнал, распространяющийся в космосе, от электрического диполя. Диполь состоит из двух электрических зарядов одинаковой величины и противоположных знаков, разделенных небольшим расстоянием.

На следующем рисунке показано электрическое поле E, когда заряд + находится выше (левый рисунок). E указывает вниз на показанную точку.

Рисунок 3. Электрическое поле диполя в двух разных положениях. Источник: Рэндалл Найт. Физика для ученых и инженеров.

На рисунке 3 справа диполь изменил положение, и теперь буква E направлена ​​вверх. Давайте повторим это изменение много раз и очень быстро, скажем, с частотой f. Таким образом, создается поле E, изменяющееся во времени, вызывающее магнитное поле B , также переменное и имеющее синусоидальную форму (см. Рисунок 4 и пример 1 ниже).

И поскольку закон Фарадея гарантирует, что изменяющееся во времени магнитное поле B порождает электрическое поле, оказывается, что, осциллируя диполь, человек уже имеет электромагнитное поле, способное распространяться в среде.

Рисунок 4. Дипольная антенна генерирует сигнал, несущий электромагнитную энергию. Источник: Ф. Сапата.

Обратите внимание, что B поочередно указывает внутрь или наружу экрана (он всегда перпендикулярен E ).

Энергия электрического поля: конденсатор

Конденсаторы обладают способностью накапливать электрический заряд и, следовательно, электрическую энергию. Они входят в состав многих устройств: двигателей, радио- и телевизионных схем, систем освещения автомобилей и многого другого.

Конденсаторы состоят из двух проводов, разделенных небольшим расстоянием. Каждому из них дается заряд одинаковой величины и противоположного знака, создавая электрическое поле в пространстве между обоими проводниками. Геометрия может меняться, как и у плоскопараллельных пластинчатых конденсаторов.

Энергия, хранящаяся в конденсаторе, возникает в результате работы, которая была проделана для его зарядки, что послужило созданию внутри него электрического поля. Путем введения диэлектрического материала между пластинами емкость конденсатора увеличивается и, следовательно, энергия, которую он может хранить.

Конденсатор емкостью C, первоначально разряженный, который заряжается батареей, которая выдает напряжение V, до достижения заряда Q, сохраняет энергию U, определяемую следующим образом:

U = ½ (Q ² / C) = ½ QV = ½ CV ²

Рис. 5. Конденсатор с плоскими параллельными пластинами накапливает электромагнитную энергию. Источник: Wikimedia Commons. Geek3.

Примеры

Пример 1: интенсивность электромагнитной волны

Ранее было сказано, что величина вектора Пойнтинга эквивалентна мощности, которую волна дает на каждый квадратный метр поверхности, и что также, поскольку вектор зависит от времени, его значение колеблется до максимального значения S = S = ( 1 / μ _или. C) E ² .

Среднее значение S в одном цикле волны легко измерить и указывает на энергию волны. Это значение известно как интенсивность волны и рассчитывается следующим образом:

Электромагнитная волна представлена ​​синусоидальной функцией:

Где E _o - амплитуда волны, k - волновое число, а ω - угловая частота. Так:

Рисунок 5. Антенна излучает сигнал в сферической форме. Источник: Ф. Сапата.

Пример 2: Применение к передающей антенне

Есть радиостанция, которая передает сигнал мощностью 10 кВт и частотой 100 МГц, который распространяется сферически, как на рисунке выше.

Найдите: а) амплитуду электрического и магнитного полей в точке, расположенной на расстоянии 1 км от антенны, и б) полную электромагнитную энергию, которая падает на квадратный лист со стороной 10 см за период 5 минут.

Данные:

Решение для

Уравнение, приведенное в примере 1, используется для определения интенсивности электромагнитной волны, но сначала значения должны быть выражены в Международной системе:

Эти значения сразу подставляются в уравнение для интенсивности, поскольку это источник, излучающий везде одинаково (изотропный источник):

Ранее было сказано, что величины E и B связаны скоростью света:

В = (0,775 /300.000.000) Т = 2,58 × 10 ^-9 Т

Решение б

S _{означает} мощность на единицу площади, а мощность - это энергия в единицу времени. Умножая _{среднее значение} S на площадь пластины и время воздействия, получаем требуемый результат:

U = 0,775 x 300 x 0,01 Дж = 2,325 Дж.

Ссылки

1. Фигероа, Д. (2005). Серия: Физика для науки и техники. Том 6. Электромагнетизм. Отредактировал Дуглас Фигероа (USB). 307-314.
2. ICES (Международный комитет по электромагнитной безопасности). Факты об электромагнитной энергии и качественный взгляд. Получено с: ices-emfsafety.org.
3. Найт, р. 2017. Физика для ученых и инженерии: стратегический подход. Пирсон. 893-896.
4. Государственный университет Портленда. ЭМ волны переносят энергию. Получено с: pdx.edu
5. Что такое электромагнитная энергия и почему это важно ?. Получено с: sciencestruck.com.